身体重心の左右変動に基づく歩行の動的安定性評価
Evaluation of Gait Stability Based on Variability of Medio-Lateral Motion of
the Center of Mass
下田 隼人
1)佐藤 春彦
2)鈴木 良和
1)HAYATO SHINODA, PT1), HARUHIKO SATO, PhD, PT2), YOSHIKAZU SUZUKI, PT1)
1) Graduate School of Medical Science, Kitasato University
2) Department of Allied Health Sciences, Kitasato University: 1–15–1 Kitasato, Sagamihara, Kanagawa, 228-8555, Japan.
TEL +81 42-778-9968
Rigakuryoho Kagaku 23(1): 55–60, 2008. Submitted Jun. 26, 2007. Accepted Aug. 15, 2007.
ABSTRACT: The purpose of this study was to investigate an index based on the trajectory of the center of mass
(COM) to determine whether it could distinguish between stable and unstable gaits. Eleven healthy males volunteered for this study. To generate an unstable gait condition, we used a separated-belt treadmill. The treadmill belt could be driven at the same speed (stable condition) and at different speeds (unstable condition). In the stable condition, the subjects walked at slow (1.0 km/h), normal (2.5 km/h), and fast (5.0 km/h) rates. In the unstable condition, the subjects were perturbed by randomly decelerating and accelerating one side of the walking belt (0.1 km/h - 5.0 km/h). Lateral sway of COM and stride time were calculated from the trajectory of COM in the frontal plane, and these values were compared between the stable and unstable gait conditions. The result was that coefficient of variation and standard deviation of lateral sway and stride time increased significantly only in the unstable gait condition, while the values were not influenced by gait speed changes between the three stable gait conditions. The results suggest that the tra-jectory of COM could be used to indicate the stability of the gait, in terms of both spatial and temporal factors.
Key words: dynamic stability, treadmill, coefficient of variation
要旨：本研究では，身体重心の軌跡の変動に基づき，歩行時の動的安定性を直接数値化し，それが安定した歩行と不 安定な歩行を明確に区別できるかを検討した。対象は健常成人男性11名とした。歩行条件としては，トレッドミルを 利用した低速度（1.0 km/h），中速度（2.5 km/h），高速度（5.0 km/h）での定常歩行3条件（安定歩行条件）と，トレッ ドミルのベルト速度を加減速（0.1 - 5.0 km/h）させ，身体のふらつきを誘導した不安定歩行条件の計4条件とした。歩 行安定性の評価として，前額面上における身体重心の軌跡から，1歩行周期毎の身体重心左右動揺幅と1歩行周期時間 それぞれの平均値，標準偏差，変動係数を求めた。その結果，身体重心左右動揺幅と1歩行周期時間の標準偏差および 変動係数は，安定歩行条件下では歩行速度間で有意な差を認めなかったのに対し，安定歩行条件と不安定歩行条件の 間には有意な差を認めた。以上より，身体重心軌跡の左右変動は，歩行の不安定さを直接的に表す指標となる可能性 が示唆された。 キーワード：動的バランス，トレッドミル歩行，変動係数 1) 北里大学大学院 医療系研究科 2) 北里大学 医療衛生学部：神奈川県相模原市北里1-15-1（〒228-8555） TEL 042-778-9968 受付日 2007年6月26日 受理日 2007年8月15日
56 理学療法科学 第23巻1号 I. はじめに 歩行中の動的安定性を把握することは，歩行自立度 の決定に不可欠なものである。理学療法士は，歩行に障 害がある患者に対して，一人で安全に歩ける『自立レベ ル』とするか，つまずき，転倒の可能性を考慮し，歩行 時に監視者を付き添わせる『要監視レベル』とするのか の判断を求められることがある。そして，たいていの場 合その判断に基づき病棟や施設内での移動手段や移動 範囲が決められる。 このような歩行自立度の判断には客観的な指標がな く，理学療法士の経験に則した主観的なものになりやす い1)。そのため，『自立レベル』の患者が，理学療法士の 過小評価により『要監視レベル』と判断され，監視者と 一緒に歩くように指示されかねない。そのような判断は 確かに安全ではあるが，活動の抑制につながる。また， 逆に，『要監視レベル』の患者が，理学療法士の過大評 価により『自立レベル』と判断され，一人で歩くように 指示されることも考えられる。その場合，患者が単独で 歩き，転倒してしまう事態も起こりうる。このような 誤った判断を回避するためには，歩行の安定性を客観的 に表す指標が必要である。 歩行の安定性に関する研究としては転倒との関係を探 るものが多い。転倒と歩行速度との関係を調べた研究で は，歩行速度が遅いものは転倒しやすいとの報告が2,3)，
転倒とTimed up and go testとの関係では，Timed up and go testの遂行時間が長いものほど転倒しやすいとの報告が ある4,5)。しかしながら，歩行速度やTimed up and go testの 遂行時間で安定性を判断するのは無理があると考える。 なぜならば，歩行速度や動作の遂行時間は，歩行の力学 的な安定性を直接的に表したものではなく，間接的に表 したものだからである。そのため，異常歩行を呈する者 とそうでない者が同じ歩行速度で歩いている場合は，両 者とも同じ安定性を有すると判断されてしまうという問 題がある。 転倒経験者の運動学・運動力学的特徴について，転倒 経験のある高齢者は，転倒経験のない高齢者に比べて， 立脚期の股関節屈曲モーメントの増加，遊脚期前の股関 節伸展モーメントと膝関節屈曲モーメントの減少が見 られること6)，歩隔が増大すること7,8)が報告されている。 しかし，こうした特徴が見られることが安定性を欠いた 歩行であるとは言い難い。むしろ，転倒経験者の特徴は 安定性を確保するための適応である可能性が高い。遊脚 期前の股関節伸展モーメントと膝関節屈曲モーメント の減少は，けり出し不十分による歩幅の減少や歩行速度 の減少に通じるし，歩隔の増大は支持基底面の拡大に通 じる。以上のように，転倒経験者の特徴を明らかにして も，それは不安定さを代償しようとした結果である可能 性もあり，一概に不安定さを示す指標とはなり得ない。 動的な安定性を直接表す取り組みとして，身体重心 の変化に着目した研究がある9,10)。Leeら9)は，前額面に おける足底圧中心からの鉛直線と，足底圧中心と身体重 心を結ぶ線がなす身体重心傾斜角度により歩行の動的 安定性を数値化し，転倒を経験した高齢者が障害物をま たぐ際の前額面上の身体重心傾斜角度は，転倒未経験高 齢者のそれに比べて大きいことを示した。しかし，彼ら が指標とした身体重心傾斜角度の測定には，三次元動作 解析装置と床反力計が必要であり，測定機器が高価であ ることと，操作が煩雑であることから，臨床への浸透性 は薄い。Kayaら10)は，歩行における身体重心運動量によ る安定性の数値化を試み，前庭機能低下症の高齢者は健 常高齢者に比べ，歩行中の左右方向への身体重心運動量 が増加することを示した。こちらの方法は床反力計を必 要としないだけ臨床に適用しやすい。しかしながら，運 動量の算出において，身体重心位置の変位を微分して身 体重心速度を求めるので，微分ノイズを避けるために高 精度の三次元動作解析装置が必要である。 そこで，本研究では身体重心の変化を比較的簡便に 定量化する試みを行った。身体重心は，1歩行周期中の 左右動揺幅が，変形性股関節患者，脳血管障害患者にお いて健常者と比較して大きいことが報告されている11)。 また，1歩行周期時間が，転倒経験のある高齢者におい て，転倒経験のない高齢者に比べ延長することも報告さ れている12)。よって，身体重心軌跡の振幅と周期に着目 し，身体重心左右動揺幅の平均値と標準偏差，ならびに 変動係数で不安定さの評価を試みた。本研究の目的は， 歩行時の動的安定性を身体重心軌跡の振幅・周期の変化 で直接数値化し，それが安定した歩行と不安定な歩行を 明確に区別できるかを検討することである。 II. 対象と方法 対象は運動器疾患および，神経学的疾患を有さない 健常成人男性11名（平均年齢21.5±2.1歳，平均身長170.3 ±5.0 cm，平均体重61.0±5.0 kg，平均BMI 21.0±1.9）と した。測定を実施するに当たり，本研究の目的と方法， 参加することで受ける利益と不利益などについて書面 及び口頭で説明し，書面にて同意を得たうえで実験を 行った。 計測に先立ち，対象者には同メーカー，同規格の陸上
競技用ランニングシャツ，陸上競技用ランニングショー トタイツ，競泳用スイミングキャップ，運動靴を着用さ せた。身体重心位置の計測のため，赤外線発光マーカを 対象者の頭頂，両側肩峰，両側大腿骨大転子，両側膝裂 隙外側，両側外踝，両側第5中足骨骨頭の計11点に貼付 した（図1）。頭頂，両側大腿骨大転子，両側第5中足骨 骨頭の赤外線発光マーカは身体に密着した服または運 動靴の上に，また，両側肩峰，両側膝裂隙外側，両側外 踝は皮膚上に両面テープでしっかり貼り付けた。歩行中 の 各 赤 外 線 発 光 マ ー カ 位 置 は 三 次 元 動 作 解 析 装 置 （OPTOTRAK 3020，Northern Digital社製）を用いサンプ リング周波数120 Hzにて計測した。三次元動作解析装置 は対象者の後方に設置した（図2）。 歩行条件を整えるため，本研究では対象者を両側分 離型トレッドミル（PW21，日立製作所社製）上で歩か せた。トレッドミルは，安定歩行条件として，左右のベ ルト速度を揃えた低速度（1.0 km/h），中速度（2.5 km/ h），高速度（5.0 km/h）の3条件を設定した。不安定な歩 行条件として，左右のベルト速度を1秒間隔で0.1-5.0 km/ hの範囲でコンピューター制御によりランダムに加減速 させた1条件を設定した。歩行中は対象者に正面を注視 させ，上肢の振りで，大腿骨大転子に貼付した赤外線発 光マーカが隠れるのを防ぐため，両上肢は胸の前で組む よう指示した。上肢の抑制による歩行中の身体重心への 影響は少ないとされている13)。測定は対象者が設定した 条件での歩行に慣れた後10秒間記録した。試行は各条件 3回とした。 計測した位置座標はBryantのフィルタを用いて，遮断 周波数6 Hzにて平滑化した14)。赤外線発光マーカ位置で 区切られた8体節（頭部，体幹，両大腿部，両下腿部，両 足部）を剛体リンクモデルとみなし，質量分布の推定値 15)より各体節の重心位置を算出した後，各体節の重心を 合成し身体重心位置とした。 計測された歩行中の身体重心の左右方向の軌跡をも とに，左側への最大変位点から次の左側最大変位点まで を1歩行周期時間とし，その1歩行周期中の左側最大変位 点と右側最大変位点の差を身体重心左右動揺幅とした （図3A）。身体重心の水平面状での移動量は，対象者の 身長の影響を受けるため16)，身体重心左右動揺幅を各対 象者の身長で除した。1歩行周期時間と身体重心左右動 揺幅を10秒間で計測された波形全てにおいて算出し，そ の3試行分の平均値と標準偏差を各個人の代表値とした。 ま た，そ の 標 準 偏 差 と 平 均 値 の 比 で あ る 変 動 係 数 （Coefficient of variation: CV値）も算出した。さらに，歩 行中の歩隔を調べるため，両側外踝に貼付された赤外線 発光マーカ間の距離を算出し，歩行10秒間における平均 値を個人の歩隔の代表値とした。 歩行条件間において，身体重心左右動揺幅と1歩行周 期時間の平均値，標準偏差，変動係数，そして歩隔の平 均 値 に 差 が あ る か を 一 元 配 置 分 散 分 析（Analysis of 図1 赤外線発光マーカ貼付位置 ●：赤外線発光マーカ．1：頭頂，2：肩峰，3：大腿骨 大転子，4：膝裂隙外側，5：外踝，6：第5中足骨骨頭． 図2 三次元動作解析装置と両側分離型トレッドミルの位置 A：三次元動作解析装置，B：両側分離型トレッドミル．
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variance: ANOVA）で検定した。ANOVAで有意差が認め
られた場合，Scheffeの方法による多重比較を行った。有
意水準は危険率5%未満とした。統計処理には統計解析 ソフト（SPSS 15.0J for Windows，SPSS Japan社製）を使 用した。 III. 結 果 身体重心左右動揺幅と1歩行周期時間の標準偏差およ び変動係数は不安定歩行と安定歩行を明確に分けてい た。以下にその詳細を述べる。 各歩行条件における左右方向の身体重心軌跡の1例を 図3に示す。3条件それぞれの安定歩行では，歩行速度の 増加と共に身体重心左右動揺幅が減少した。また，1歩 行周期時間も，歩行速度の増加と共に短縮した。不安定 歩行では，10秒間の歩行中の身体重心左右動揺幅，1歩 行周期時間共に不規則であった。 対象者全体でまとめた身体重心左右動揺幅および1歩 行周期時間の平均値，標準偏差，変動係数を表1に示す。 安定歩行の3条件に対して，不安定歩行が有意に高値を 示した指標は，身体重心左右動揺幅および1歩行周期時 間の標準偏差と変動係数であった（p＜0.001）（表1）。さ らに，これらの指標は，それぞれの安定歩行において， 歩行速度毎の標準偏差，変動係数を比較しても有意差を 示さなかった。 安定歩行において身体重心左右動揺幅の平均値は，歩 行速度が速い条件ほど低値を示す傾向があり，1歩行周 期時間の平均値は歩行速度が速い条件ほど有意に低値 を示した(p＜0.01)（表1）。また，身体重心左右動揺幅お よび1歩行周期時間の平均値は，不安定歩行と中速度歩 行で有意差を示さなかった（表1）。 歩隔に関して，低速度歩行，中速度歩行，高速度歩 行，不安定歩行の順に，20.5±3.4 cm，19.3±3.9 cm，20.2 ±3.5 cm，23.3±3.6 cmであった。安定歩行3条件に対し て不安定歩行では，歩隔が広かったが有意差は認められ なかった。 図3 各歩行条件における身体重心軌跡の1例 A：低速度；t1 から t4は1歩行周期時間を，a1 から a4 は 身体重心左右動揺幅を示す．B：中速度，C：高速度， D：ランダム速度．縦軸は，＋側を進行方向に対して 左側，－側を進行方向に対して右側とした． 表1 身体重心左右動揺幅と1歩行周期時間における各歩行条件の比較 低速度 中速度 高速度 ランダム速度 身体重心左右動揺幅 平均値 0.042 ± 0.008abc 0.028 ± 0.004 0.021 ± 0.004a 0.034 ± 0.007 標準偏差 0.005 ± 0.002a 0.003 ± 0.001a 0.004 ± 0.001a 0.010 ± 0.003 変動係数（％） 11.25 ± 3.81a 11.39 ± 1.74a 17.76 ± 4.83a 30.91 ± 10.06 1 歩行周期時間 平均値（sec） 1.53 ± 0.30abc 1.10 ± 0.10b 0.84 ± 0.06a 1.14 ± 0.11 標準偏差（sec） 0.10 ± 0.06a 0.05 ± 0.01a 0.05 ± 0.01a 0.28 ± 0.09 変動係数（％） 6.43 ± 3.15a 4.57 ± 1.00a 5.84 ± 1.21a 24.46 ± 7.43 平均値±標準偏差 a：p<0.05 対ランダム速度，b：p<0.01 対高速度，c：p<0.001 対中速度
IV. 考 察 安定歩行3条件全てに対し，不安定歩行で有意に高値 を示した指標は，身体重心左右動揺幅および1歩行周期 時間の標準偏差と変動係数であった。また，これらの指 標は，安定歩行3条件における歩行速度間で有意差を示 さなかった。これは，身体重心左右動揺幅と1歩行周期 時間の標準偏差と変動係数が，歩行速度の影響を受けず 安定歩行と不安定歩行を分けたことを示している。 身体重心左右動揺幅と1歩行周期時間の平均値は歩行 速度に依存し，安定歩行条件下で歩行速度の増加に伴い 有意な減少を示した。身体重心左右動揺幅と1歩行周期 時間の速度依存性は他の研究者からも報告されている。 前者に関しては，Orendurffら17)が，歩行速度の増加に伴 い身体重心の左右動揺幅が減少することを示し，また， 後者に関しては，村田ら18)が，歩行速度の増加に伴うス テップ時間の短縮を報告している。以上の研究は，ト レッドミル歩行でなく平地歩行に基づくことから，今回 の結果が，トレッドミル歩行という条件で見られた特殊 なものではないと考えられた。よって，身体重心左右動 揺幅と1歩行周期時間の平均値は，その歩行速度依存性 のため，歩行の安定性を見極める指標として用いるのは 難しいと考えられた。 1歩行周期時間の変動性を表す標準偏差と変動係数は， 歩行速度に依存せず安定と不安定とを明確に分けてい た。歩行時間の変動性について注目したHausdorffら12) は，転倒経験のある高齢者とない高齢者を比較し，転倒 経験のある高齢者では1歩行周期時間の変動係数が増加 したことを報告している。転倒経験を有する者は変動係 数が高値を示すという結果は，本報告の不安定歩行条件 が安定条件より高い変動性を示した傾向と通じる。ただ し，Hausdorffら12)は6分間という長い歩行時間における 変動性を見ているのに対し，本報告では10秒間という短 い時間で見ている。今回，短い時間でも安定条件と不安 定条件で差が確認できたのは，不安定な歩行条件を人工 的に作り出し，不安定さを強調したことが影響している と 考 え る。時 間 的 な 変 動 で 不 安 定 さ を 表 す 場 合 は， Hausdorffら12)が行ったように，長い時間間隔で見る必要 があるかもしれない。 一方，空間的な変動性を表す身体重心左右動揺幅の 標準偏差と変動係数も，歩行速度に依存せず安定と不安 定とを分けていた。身体重心左右動揺幅の平均値は不安 定な条件が安定な条件より大きいということはなく，む しろ，安定条件の低速度の歩行では，不安定な歩行より 大きな値を示していた。このことから，身体重心の動揺 幅自体の大きさよりも，その動揺幅が1歩行周期ごとに どれだけ変動するのかが，安定・不安定を見極める鍵で あることが伺えた。 本研究では，歩行の安定性を考える上で，前額面上に おける身体重心の変動に着目した。歩行における前額面 上の運動の重要性についてBaubyら19)は，健常成人を対 象に，前額面上での動きである歩隔と矢状面上での動き である歩幅の変動性を比較したところ，歩隔の変動性が 歩幅の変動性より大きかったことを示している。彼らは また，矢状面上での動きは下肢の骨格構造によりある程 度決まり変化しにくいのに対し，前額面上では安定を得 るために足の着く位置や身体重心の左右方向への移動 量を調整する必要があり，変化しやすいことを指摘して いる。よって，歩行の安定性を考える場合，矢状面の動 きよりも複雑な制御を要する前額面の動きに着目する ことは妥当であると考えた。 本研究では，トレッドミルのベルト速度を左右で変 化させる外乱を利用して見かけ上ふらつきを呈する不 安定な歩行を実現した。上出ら20)の報告によると，若年 者を対象に，両側分離型トレッドミル歩行時の片側ベル ト減速機能による外乱刺激に対する身体応答を調べた 結果，速度2 km/hで歩行中の対象者に片側ベルト速度を 1 km/hに減速させる外乱刺激を与えると，刺激直後の骨 盤加速度前後成分は刺激直前のそれに比べ増加すると 報告している。本研究では，ベルト速度の範囲を0.1-5.0 km/hと上出らの条件設定よりも急激に変化させている ので骨盤を含む体幹の前後方向の動揺を誘発している と考えられた。このように誘発される体幹の不規則な動 揺を伴う歩行を不安定歩行と定義したが，この人工的な 不安定歩行は，疾患に特徴的な異常歩行を再現した訳で はないため，臨床で見られる異常歩行をこの方法で評価 し，安定性を表現できるかは検討が必要である。ただ し，不安定歩行条件で見られた変動性の増大は，パーキ ンソン病患者21)や末梢神経障害患者22)でも観察されるこ とである。本研究で用いた身体重心左右動揺幅や1歩行 周期時間の変動性で，異常歩行の安定性を評価すること も可能であろうと思われる。 引用文献
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